创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革——以《微机械设计与制造》课程为例

董　健,张　利，孙　笠,龙芝剑

(浙江工业大学 机械制造及自动化教育部重点实验室, 浙江 杭州 310014)



创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革
——以《微机械设计与制造》课程为例

董健,张利，孙笠,龙芝剑

(浙江工业大学 机械制造及自动化教育部重点实验室, 浙江 杭州 310014)

摘要：以创新型人才培养为导向,阐述虚拟实验教学改革的目标指向、总体思路和教学改革内容。以《微机械设计与制造》课程为例,基于LabVIEW软件平台,开发了5个虚拟实验用于实验教学。教学实践证明,能够促进学生智能结构完善,推动学生参与创新创业和科研活动,提升课程教学质量。

关键词：创新型人才；微机械设计与制造；虚拟实验教学；LabVIEW

一、虚拟实验教学改革的目标指向

(一)虚拟实验教学的基本概念

实验教学是理论知识和实践活动相结合的过程,实验教学旨在培养学生细致的观察能力,持之以恒的顽强毅力与勇于创新的科学精神。虚拟实验教学是基于计算机技术和网络技术而建立起来的一种实验教学手段,集文字、图形和声音于一体,利用人工智能技术提供使用者一个人机交互的、界面友好的、学习开放式的虚拟环境,具有最大化的数据共享和知识分享的特点,学生可以像在真实环境中完成预定目标的实验和研究项目,能够最为轻松地进行基础学习、实验和研究[1-2]。目前,虚拟实验教学已经拥有稳固、便捷的实现技术,例如Java+VRML、ActiveX、FLASH、LabVIEW等[3]。在此基础上,国外在虚拟实验教学方面的发展十分迅速,其著名的虚拟教学实验室有爱丁堡大学的虚拟控制实验室,美国北卡罗来大学LAAPhysics物理实验室,Gentral Florida大学教育训练研究院的VSL虚拟传统实验室等；虽然相比国外,国内在此开展的工作还不多,但目前北京大学、清华大学、上海交大、华中科技等国内著名高校都陆续在网上建立了自己的电子教室,国家的资金投入也逐渐开始,教育部也通过专门的基金项目来开发各类学科的网络虚拟教学实验室,并取得了不错的阶段性成果。

(二)虚拟实验教学改革的目标指向

虚拟实验教学在引导学生建立基础实验和研究能力、开发创新性实验和研究理念方面具有不可替代的地位。相比于传统实验教学,其优越性在于：(1)资源利用最大化：企业和科研院所的产业化与科研成果通过网络跨越了空间距离的限制,使学生的学习可以超出校园向更广泛的地区辐射,获取学校外更多的学习资源；(2)学习行为自主化：通过网络教育平台,学生可以在任何时间、任何地点、从任何章节开始学习课程,可以最大自由程度地自行学习并设计各种实验,实现各种实验方案和目的,对于培养学生独立实践能力和创新能力有极大帮助,在学习模式上最直接体现了主动学习的特点；(3)学习形式交互化：教师与学生、研究人员与学生之间,通过网络进行全方位的交流,拉近了施教人员与学生的心理距离,增加了交流机会和范围。除此以外,虚拟实验教学还有着不可替代性,它有着较之传统实验教学更加良好的开发性、安全性和经济性,将实验部分或全部功能虚拟化,以此克服现场实验教学设备有限性、时间局限性等特点,使虚拟实验教学在教育、科研领域中具备广阔的应用前景。

当前理工科高校课程体系按专业编排,理论性过强而实践性内容偏少,部分知识偏难且陈旧,使用的教材大多是统一的规划教材。这样的课程体系设置与创新型人才培养为导向的教学改革预期目的不符,与社会及科研机构的需求还存在较大差距,“学不能用”、“学不会用”的现象较为突出。虚拟实验教学改革立足于传统实验教学,通过新型教学模式强化学生知识学习与能力训练的结合程度,将传统的单一性、演示型、验证性实验教学模式改革为综合性、独立创新性、设计性的实验教学模式,利用现有资源为学生创造出能发挥他们潜能和个性的空间。虚拟实验教学改革的目标就是要使虚拟实验教学成为培养学生综合素质能力、创新能力和工程实践能力的行之有效的重要途径。

二、创新型人才为目标导向的虚拟实验教学改革

(一)虚拟实验教学改革总体思路

按照理论与实践并行的教学理念,遵循学生的认知规律,注重学生的基本专业能力、专业实践能力和科研创新能力的培养,建立起集科研分析能力培养、工程实践能力培养、综合设计能力培养和创新能力培养为一体的虚拟实验教学平台,补充和完善传统教学的不足,虚实结合,引导学生将虚拟实验中的所学到的知识应用到实际操作中,促进实验教学的改革发展。虚拟实验教学改革的总体思路是立足于培养独立性、研究型、创新型人才,应用计算机虚拟现实、仿真等技术构造虚拟实验环境进行实验教学,强化理论与实践的联系,使学生能够直观地理解并验证理论知识,做到理论与实践相结合。利用网络资源搭建虚拟实验教学平台,学生可以在学习理论知识的同时,通过虚拟实验教学平台进行虚拟实验,提高动手实践能力,为将来做专业型研究和工作做好充分准备。

传统教学模式下学生缺乏足够的实践能力和创新能力,大多通过课堂教学进行知识的学习,仅有的实验课程又往往受制于场地、资源,实验课程时间短,内容陈旧和简单,不足以支撑学生培养实践和创新能力,虚拟实验教学突破了传统教学模式空间和资源的限制,学生在虚拟实验教学平台上可以自由学习理论知识,构思设计并实现各种实验方案来印证所学理论知识,这是传统教学不能做到和欠缺的[4]。例如,《微机械设计与制造》课程是一门主要介绍微电子机械系统基本工作原理和微电子机械系统产品的设计、仿真、制造和封装方法的课程。它要求学生具有较强的设计能力和独立分析能力,对实验、实践教学提出了更高的要求。该课程实践部分往往需要老师组织学生前往特定的研究机构进行实验,受到场地、实践以及人力物力等因素制约,在很大程度上影响了教学工作。通过虚拟实验教学改革,建立虚拟实验平台,进行虚拟实验教学,以期解决各种不便和巨大代价的困扰,对于《微机械设计与制造》课程教学而言具有普遍意义。

(二)基于创新型人才培养智能结构变化调整教学内容

所谓“智能结构”是指为实现或达到既定目标,行为主体具备的知识和能力的数量构成和内部结构[5]。实质包括两层含义,一是知识能力的总量,二是各部分的搭配和排列。

从人才培养的角度出发[6-7],智能结构的确立和调整过程,就是知识和能力以及两者合理的总量的增加和结构的边际性调整过程。大学生智能结构应由智力、能力和素质组成。智力即基本专业能力和良好的基础知识,能力即细致的观察能力、独立分析能力和创新实践能力,素质即个人专业素质和道德素养。传统的综合性大学和理工科大学在设计教学计划时,课程体系缺乏明确的目标导向性,一般都比较注重培养学生扎实的数理基础和专业理论基础,而实践教学环节的课时和学分比例相对较低,学生专业素养与实践能力与用人单位和科研机构的期望往往有所差距。因此,在为学生打下良好的专业理论基础的同时,提高学生动手实践能力,培养学生独立思考和创新能力就十分必要。以创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革旨在基于人才培养的智能结构变化对虚拟实验教学内容进行调整,增强学生的综合能力培养[8]。在制定专业教学计划时,适度缩减理论教学课时,增加实践教学环节比重,使学生智力、能力和素质结构协同化。

微电子机械系统是建立在微米/纳米技术基础上近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统。微电子机械系统的设计与制造是建立在机械设计、微电子设计、微机械制造工艺和微纳器件检测基础上的一种高端前沿技术。微电子机械系统的设计过程是一个在二维半空间的层设计过程,其制造过程强烈依赖于微制造工艺。鉴于当前学校实验教学条件和资源,无法进行《微机械设计与制造》的实例教授,我们通过虚拟网络技术[9-10]针对《微机械设计与制造》课程设计虚拟实验教学系统,对学生进行虚拟实验教学[11-12]，包括以下基本内容：(1)版图设计；(2)三维建模；(3)机电耦合仿真；(4)硅各向异性原子级腐蚀仿真；(5)虚拟制造。本虚拟实验教学对优化教学资源,提高学生学习自主化和培养学生实践创新能力具有重要意义。

虚拟实验平台建立在计算机技术和网络技术基础上,其结构组成[13]如图1所示,由微机械设计与制造虚拟实验教学管理系统进行后台管理,及时对该管理系统的教学资料库,包括多媒体材料库进行更新；建立自己的服务器,通过Internet与用户平台系统相连,供用户使用。

图1　虚拟实验平台结构组成

针对《微机械设计与制造》这一课程,通过LabVIEW简洁明了的G语言特色,建立界面友好的人机界面,方便使用者自由控制交互过程。平台主界面由用户登录界面引入,进入实验平台。学生可以进行版图设计、三维建模、机电耦合仿真、硅各向异性原子级腐蚀仿真和虚拟制造五个子实验的虚拟实验。图2所示为虚拟实验平台主前面板。

图2　虚拟实验平台主前面板

以虚拟制造设计实验为例,学生在虚拟实验平台上使用IntelliFAB软件做虚拟制造实验。虚拟实验以双梁-岛结构微机械加速度传感器的工艺过程为实例,模拟出双梁—岛结构微机械加速度传感器的整个制造过程,包括薄膜淀积、离子注入、干法刻蚀、湿法刻蚀、硅玻璃键合等,最后给出上述工艺过程后的器件的三维图形,供用户体验器件工艺过程的正确性。图3所示为以双梁—岛结构微机械加速度传感器为例的虚拟制造实验界面。

图3　虚拟制造实验界面

通过建立《微机械设计与制造》虚拟实验平台,突破了当前学校实验教学条件和资源不足的阻碍,在培养学生动手实践能力和创新能力的实验教学活动中取得了良好的效果。

三、创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革成效

(一)促进学生智能结构完善

大学生智能结构因性格差异、学科专业差别以及所处环境不同而各不相同,既有共性,也有个性。一般来讲,大学生智能结构应符合效能原则、适应原则以及个性原则。这就要求大学生具备科研创新意识和能力,能够把握科学前沿,具备完整的知识体系,拥有从一个领域到另一个领域的意识能力。然而传统教学重智力培养而轻能力培养,学生智能结构不平衡,学校培养的学生理论知识相对比较扎实,但是理论知识过于单一化,学生不具备完整的知识体系,不足以适应新时代科学迅猛发展的趋势；学生创新能力较弱,动手实践能力不足；人才培养模式与社会对人才的能力和知识结构的期望差距较大；毕业生进入社会的综合竞争力较弱,不能满足社会发展要求等等。进一步提高对实践教学重要性的认识,全面和系统地设计行之有效的实践教学体系,促进学生智能结构完善,成为当前高等院校的迫切需要。虚拟实验教学平台基于计算机仿真和网络虚拟现实技术,突破了传统教学模式空间和资源的限制,学生在虚拟实验教学平台上可以自由学习理论知识,完善自身知识体系,并可以自由构思设计并实现各种实验方案来印证所学理论知识。能使学生在具备宽而实的基础理论知识同时,极大程度地培养学生独立思考、动手实践和自主创新能力,有效促进学生智能结构完善。

(二)推动学生参与创新创业和科研活动

创新创业型人才培养的关键是要健全人格,强化知识创新与实践创新能力,培养创新创业精神[14]。核心在于培养理论基础扎实、创新创业能力突出的学生,在教学内容上更强调知识专业性和理论前沿性,在能力上更加重视学习能力、动手实践能力和创新创业能力等。以创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革就是建立在信息多元化和交互化的基础上,通过搭建虚拟实验教学平台,使教育资源最大化,学习形式交互化。企业和科研院所的产业化与科研成果通过网络跨越了空间距离限制,使学生的学习可以超出校园向更广泛的地区辐射,获取学校外更多的学习资源,学生可以与教师、研究人员广泛交流,这就使得学生发展更加均衡,知识面更加广阔,并具备实践能力和创新能力,更能适应当前社会对人才的高要求。虚拟实验教学平台连接了学校、研究院和企业,加强了大学与社会的合作培养,更加有助于培养学生社会责任感和创新创业动力,有助于学生毕业后更快地融入社会。与此同时,学生通过虚拟实验教学平台,能够深入接触相关行业,了解当下相关行业对人才的最新需求,主动适应社会发展对人才的要求变化,学生熟悉了行业现状、问题和发展前景,初步具备了进入该行业创新创业的可能性和技术基础。因此,创新性人才培养为导向的虚拟实验教学改革能够推动学生参与创新创业的和科研活动的开展。

(三)提升课程教学质量

教学评价是评价者判定活动课程教学的好坏、优劣及其实际效果的过程,也是一个搜集、交流信息和成果,以及判断和描述教学活动过程价值的过程。我们从系统架构、评估目的、评估原则以及指标体系的完整概貌等角度,系统全面地分析虚拟实验教学的自身特色,进行科学客观的教学评价[15]。学生通过《微机械设计与制造》虚拟实验平台,学习、模仿、改进虚拟实验,在虚拟实验中独立设计版本设计、三维建模、机电耦合仿真、硅各向异性原子级腐蚀仿真和虚拟制造,并尝试进行技术上的创新,深入了解《微机械设计与制造》这门课程的重要性和实际意义。虚拟实验平台培养了学生学习实验的积极性、独立性和创新性,取得了预期的教学效果。

以《微机械设计与制造》课程为例,建立了基本教学评价体系,包括教师评价与学生自我评价两部分。教师评价包括教师对学生版图设计、三维建模、机电耦合仿真、硅各向异性原子级腐蚀仿真和虚拟制造的基础理论知识理解程度的评分评价,对学生在虚拟实验平台上进行五种虚拟实验的操作独立性的评分评价和操作创新性的评分评价；学生自我评价是指学生通过在虚拟实验平台的学习后对《微机械设计与制造》课程的兴趣程度的学生自我评分评价。四项评价分值标准均采用百分制。

以机电专业选修《微机械设计与制造》课程的2011级98名学生为A样本,统计了传统实验教学模式下《微机械设计与制造》课程教学评价的评价结果,对四项教学评价的分值分别做平均值处理；而后以选修该课程的2012级92名机电专业学生为B样本,在传统实验教学基础上增加了虚拟实验教学方法,统计教学评价结果,最后同样对四项教学评价的分值分别做平均值处理。图4为传统实验教学和增加虚拟实验教学后的教学评价对比。

图4　教学评价对比

数据显示,在传统实验教学基础上增加虚拟实验教学方法后,学生对该课程的兴趣程度提升了11个百分点,实验操作创新性提升了22个百分点,操作独立性提升了15个百分点,知识理解程度提升了13个百分点。由此可见,虚拟实验教学确实有其独到之处,作为传统实验教学的辅助与补充手段,能够提升学生对课程的兴趣,加强理论知识的理解程度,更能增强学生的独立实践性和创新性。传统实验教学和虚拟实验教学相辅相成,是提升教学质量行之有效的方法。

虚拟实验教学极大地促进了实验教学改革,突破了虚拟网络教学中实验教学瓶颈,基本可以解决传统实验教学设备和资金不足,缺乏创新等问题,在教育研究和科学研究领域中具有广阔的应用前景。《微机械设计与制造》虚拟教学实验平台利用了虚拟实验教学的虚拟性、实践性、交互性,运用了多媒体技术和网络技术创造良好的学习环境,吸引了学习者的注意力,激发了求知欲和解决问题能力,帮助学习者加深了对课程的理解。未来,将深化以创新型人才培养为导向的虚拟实验教学改革,进一步完善虚拟实验平台建设,提高课程教学质量。

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(责任编辑：薛蓉)

Innovative talents training oriented virtual experimental teaching reform——Take “Design and manufacture of MEMS” as an example

DONG Jian, ZHANG Li, SUN Li, LONG Zhijian

(The MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014,China)

Abstract:This paper puts forward the innovative talents training oriented virtual experimental teaching reform, describing the overall target, general idea and teaching content of the reform. Take the course of “Design and manufacture of MEMS” as an example, it is based on LabVIEW software design platform, and five virtual experiments are developed for experimental teaching. The practice proves that the virtual experimental teaching system in “Design and manufacture of MEMS” promote students’ intellectual structure, and encourage students to participate in innovation and entrepreneurship, as well as academic research. It also plays a positive role in improving the teaching quality of “Design and manufacture of MEMS”.

Keywords:innovative talents; Design and manufacture of MEMS; virtual experimental teaching; LabVIEW

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)01-0100-05

作者简介：董健(1968—),男,江苏江阴人,副教授,博士,从事微电子机械系统研究；张利(1971—)，女，辽宁丹东人，副教授，博士，从事机械制造及自动化研究；孙笠(1991—),男,浙江湖州人,硕士研究生,从事微电子机械系统研究；龙芝剑(1993—),男,湖南衡阳人,硕士研究生,从事微电子机械系统研究。

基金项目：浙江工业大学教改项目(JG1213)

收稿日期：2015-11-04